楊靈，胥睿

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

0 前言

隨著全球經(jīng)濟(jì)和社會的快速發(fā)展，低碳經(jīng)濟(jì)越來越受到廣泛關(guān)注。我國在 “十一五”期間，關(guān)停了效率低下的小火電機(jī)組，原則上不得建設(shè)單機(jī)容量30萬千瓦以下純凝汽式燃煤機(jī)組。因此在國內(nèi)，150 MW等級火電機(jī)組逐漸淡出了人們的視線,但該等級機(jī)組仍為世界發(fā)展中國家的主力機(jī)型，具有較大的市場前景，從項(xiàng)目分布的國家及地區(qū)來看，主要是土耳其、非洲、南亞等地。此外，150 MW等級的汽輪機(jī)技術(shù)在燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)中也有廣泛應(yīng)用。

經(jīng)過多年的積累，在135 MW等級汽輪機(jī)這一細(xì)分市場上，東方在已有兩代成熟機(jī)型的基礎(chǔ)上，成功開發(fā)了第三代兩缸單排汽135 MW等級汽輪機(jī)。

1 機(jī)組總體方案

本機(jī)組為一次中間再熱、雙缸單排汽、七級回?zé)岢槠?、沖動式、凝汽式汽輪機(jī)組，配汽方式為節(jié)流配汽，型號為N137-13.24 MPa/535℃/535℃，其外形如圖1所示。

本機(jī)組總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：汽輪機(jī)分高壓模塊、中低壓合缸模塊，高壓、中低壓通流反向布置、機(jī)組單流向下排汽，推力軸承位于中間軸承箱，盤車布置位于機(jī)電間軸承箱內(nèi)，高中壓閥門均浮動支撐布置在汽缸兩側(cè)。

中低壓模塊單流合缸，取消了中壓排汽、連通管及低壓進(jìn)汽室等結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、效率更高的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 機(jī)組外形圖

2 熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第三代135 MW汽輪機(jī)的熱力系統(tǒng)在前兩代機(jī)型基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，針對國際市場的特點(diǎn)，對再熱參數(shù)、回?zé)峒墧?shù)以及各段回?zé)釁?shù)進(jìn)行了優(yōu)化，兼顧了高溫部件強(qiáng)度以及再熱壓力與給水溫度、排汽溫度、排汽濕度、容積流量的影響，保證熱力系統(tǒng)成熟可靠、高效運(yùn)行。

2.1 回?zé)嵯到y(tǒng)

針對135 MW等級電站的熱力系統(tǒng)，國際上流行兩種回?zé)嵯到y(tǒng)方案。A方案是再熱冷段前無回?zé)岢槠诟邏焊着牌幵O(shè)一號高加抽汽口；B方案是再熱前有一段回?zé)岢槠?，一段抽汽在高壓缸，二段抽汽在高壓排汽位置。以這兩個(gè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對再熱壓力和給水溫度的選取展開計(jì)算對比分析，如圖2所示。

圖2 再熱壓力與機(jī)組熱耗的關(guān)系 （考慮濕氣損失）及給水溫度與熱耗的關(guān)系

分析表明，A、B兩種系統(tǒng)均具有其存在的合理性，但A方案再熱壓力較再熱前有回?zé)岢槠到y(tǒng)的壓力高，機(jī)組的排汽濕度會增加，濕汽損失加大。因此，本機(jī)組采用B方案。并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化再熱壓力和溫度參數(shù)，以達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)性。

2.2 補(bǔ)汽方案的設(shè)計(jì)

機(jī)組運(yùn)行方式采用定-滑運(yùn)行方式，即在30%～100%THA負(fù)荷區(qū)間，機(jī)組采用滑壓方式運(yùn)行，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行由THA進(jìn)一步升至TMCR乃至VWO時(shí)，機(jī)組采用補(bǔ)汽閥配汽。

為獲得優(yōu)秀的補(bǔ)汽閥運(yùn)行工況的性能，針對補(bǔ)汽位置的不同，展開了對比研究，通過對比補(bǔ)汽位置在高壓第3、4、5、6和7級后的五個(gè)方案，選擇最優(yōu)的補(bǔ)汽位置。當(dāng)THA工況下高壓缸效率均大于85%時(shí)，隨著補(bǔ)汽位置的后移，高壓缸效率在各工況下不斷下降。由于效率下降，所需主汽流量隨補(bǔ)汽位置后移而不斷增加，同時(shí)補(bǔ)汽量逐漸減小。

綜上所述，前移補(bǔ)汽位置對補(bǔ)汽工況經(jīng)濟(jì)性有一定的收益，但隨著補(bǔ)汽位置提前，補(bǔ)汽量也會隨之增加，當(dāng)補(bǔ)汽位置前移至高壓5級前時(shí)，則存在第一級焓降過大，需增大首級根徑的問題，同時(shí)隔板等部件的選材也會因補(bǔ)汽位置不同而變化。所以，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、通流效率、制造成本等因素，最終選擇補(bǔ)汽位于高壓第5級后。

3 通流設(shè)計(jì)

第三代135 MW汽輪機(jī)采用當(dāng)今世界汽輪機(jī)最新設(shè)計(jì)理念，具有與世界一流汽輪機(jī)制造商相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)性水平。

本機(jī)型高壓通流和中低壓通流與原型機(jī)以及優(yōu)化型相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）優(yōu)化速比、反動度；

（2）采用小根徑、多級數(shù)設(shè)計(jì)；

（3）優(yōu)化葉輪平衡孔，減少漏汽對主流的擾動；

（4）取消調(diào)節(jié)級，機(jī)組采用滑壓配汽；

（5）取消高壓缸進(jìn)氣導(dǎo)管，將高壓主汽調(diào)節(jié)閥直接把緊在汽缸上，并減低高壓閥門流速；

（6）提高了絕對葉高和相對葉高；

（7）采用東方新一代DAPL3葉型，進(jìn)一步降低了葉型損失和端部二次流損失。

同時(shí)，為配合高、中壓切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)，對通流前幾級進(jìn)行了三維計(jì)算，優(yōu)化型線的通流能力、型損及壓力分布。統(tǒng)計(jì)優(yōu)化后型線能量損失系數(shù)沿葉高的分布情況，如圖3所示。

圖3 新設(shè)計(jì)型線與優(yōu)化前型線的能量損失系數(shù)對比

4 機(jī)組滑銷系統(tǒng)

本機(jī)組設(shè)一個(gè)絕對死點(diǎn)，位于低壓后汽缸排汽中心線上，設(shè)有一個(gè)相對死點(diǎn)，即機(jī)組推力軸承位于中間軸承箱內(nèi)。汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，高壓缸、中低壓缸以絕對死點(diǎn)為基準(zhǔn)向機(jī)頭方向膨脹，轉(zhuǎn)子以推力盤為基準(zhǔn)分別向機(jī)頭機(jī)尾方向膨脹，滑銷系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 滑銷系統(tǒng)示意圖

在前軸承箱和中間軸承箱下設(shè)有縱向鍵，在高壓缸與前軸承箱、高壓缸與中間軸承箱、中低壓前缸與中間軸承箱、后汽缸與后基架間均設(shè)有軸向鍵，它們引導(dǎo)汽缸沿軸向自由膨脹并限制橫向跑偏。高中壓外缸和低壓前缸為下貓爪中分面支撐，為保證汽缸能更順利推動軸承箱，確保機(jī)組啟動和停機(jī)過程中軸承箱的穩(wěn)定性，將汽缸貓爪與軸承箱枕座間的橫向鍵下移，汽缸軸向推力作用點(diǎn)更接近與軸承箱與基架間的滑動面。為了保證前軸承箱和中間軸承箱沿軸向自由膨脹，在其軸承箱底板與基架的接觸滑動面處采用自潤滑滑塊。

本機(jī)型以低壓排汽缸為死點(diǎn)，推動中間軸承箱、高壓缸、前箱運(yùn)動，對低壓排汽缸的剛性提出了更高要求，為此，對低壓排汽缸的軸向剛性進(jìn)行了強(qiáng)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，分析結(jié)果見圖5。計(jì)算表明，通過低壓排汽缸軸向剛性的加強(qiáng)，低壓排汽缸在機(jī)組正常膨脹工況和軸承箱滑動發(fā)生卡澀時(shí)僅有較小變形，剛性滿足要求，并使各種工況下機(jī)組通流內(nèi)部各處的脹差小于設(shè)計(jì)間隙，保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行。

圖5 正常推缸時(shí)軸向變形圖（左）和卡澀工況下軸向變形圖（右）

5 機(jī)組軸系設(shè)計(jì)

本機(jī)組采用三支點(diǎn)方式，即2根汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，3個(gè)徑向軸承，除高壓轉(zhuǎn)子有兩個(gè)徑向軸承外，中低壓轉(zhuǎn)子只有一個(gè)徑向軸承，軸系簡圖如圖6所示。

圖6 軸系簡圖

為預(yù)防汽流激振，在高壓前2級的隔板汽封和葉頂汽封、高壓端汽封第1圈汽封圈設(shè)計(jì)防旋汽封。在補(bǔ)氣閥摻混進(jìn)入通流后的2級隔板汽封和葉頂汽封也設(shè)計(jì)防旋汽封。

6 汽缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高壓模塊采用雙層汽缸傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，水平中分面螺栓密封。

高壓模塊和中低壓合缸模塊均采用閥門水平切向進(jìn)汽，進(jìn)汽室結(jié)構(gòu)見圖7。對進(jìn)汽室進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算表明，切向進(jìn)汽室的總壓損失系數(shù)很小，出口汽流沿圓周方向更為均勻。

圖7 切向進(jìn)汽室示意圖

中低壓合缸模塊汽缸前部采用單層汽缸結(jié)構(gòu)，水平中分面螺栓密封，汽缸前部與汽缸后部采用垂直法蘭面聯(lián)接，排汽缸通過左右臺板放置于基架上，中低壓前13級通流放置于汽缸前部內(nèi)，末4級伸入排汽缸內(nèi)部。

本機(jī)組采用單流排汽結(jié)構(gòu)，末級動葉出口汽流經(jīng)過排汽缸后通過凝汽器喉部再進(jìn)入凝汽器，由于結(jié)構(gòu)因素排汽流場分布不均勻。根據(jù)同類型機(jī)組現(xiàn)場運(yùn)行情況和相關(guān)參數(shù)的測量，對排汽缸進(jìn)行三維CFD模擬和流場分析，在排汽缸出口和冷凝器進(jìn)口結(jié)合處增加斜擋板，以改善排汽流場分布，保證機(jī)組正?？煽窟\(yùn)行。并在汽動設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在低壓缸內(nèi)設(shè)置橫向肋板和縱向肋板以支撐內(nèi)缸，并由肋板和支撐桿在排汽缸組成桁架使排汽缸具備足夠的剛性，見圖8。

圖8 中低壓缸安裝擋板后的結(jié)構(gòu)（左）和流線圖（右）

中低壓缸有限元強(qiáng)度計(jì)算（見圖9）表明：

（1）無論是在機(jī)械載荷作用下還是熱載荷作用下，或在機(jī)械和熱載共同作用時(shí)，隔板懸掛銷處的天地向位移遠(yuǎn)小于低壓各級的設(shè)計(jì)間隙，排汽缸的剛性是能夠滿足各種工況下機(jī)組徑向間隙的要求。

（2）在機(jī)械和溫度載荷共同作用，中低壓缸各部分的應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度，排汽缸的強(qiáng)度滿足要求。

（3）低壓缸與中壓缸垂直法蘭螺栓連接處、低壓缸水平中分面均汽密性良好，法蘭汽密性滿足要求。

圖9 低壓排汽缸力學(xué)性能分析

7 結(jié)束語

綜上所述，東汽在135 MW原型機(jī)和優(yōu)化機(jī)型的基礎(chǔ)上，立足自主研發(fā)，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段，應(yīng)用最新研究成果，對熱力系統(tǒng)、通流技術(shù)、軸系和本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，采用兩缸單排汽、切向進(jìn)汽以及DAP葉型等先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)出第三代超高壓一次再熱135 MW汽輪機(jī)。

當(dāng)前，該型機(jī)組已于印度尼西亞成功投運(yùn)發(fā)電，機(jī)組運(yùn)行良好。

該機(jī)型的成功投運(yùn)，證明了東汽自主研發(fā)的方法、技術(shù)是正確的，該機(jī)組在設(shè)計(jì)、制造、加工過程中，為公司135 MW等級機(jī)組的升級換代、實(shí)現(xiàn)能源清潔化發(fā)展積累了大量經(jīng)驗(yàn)，探索出了新的道路。